Energie und Textil

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1. Einleitung  
2. Textilverarbeitung     Nassapparate, Trockenapparate, Maschinen
3. Infrastruktur Gebäude, Heizungsanlage, Lüftungsanlage, Druckluftanlage, Beleuchtungsanlage, Wasserversorgung
4. Energietechnik Elektrizität, Verbrennung, Wärmekraftkopplung, Wärmepumpe, Wärmeverteilung
5. Technologien Wärmedämmung, Wärmerückgewinnung, Antriebstechnik, Pumpen und Gebläse, Messtechnik
6. Grundlagen Gesetzliche Grundlagen, Literatur, Links
7. Aktuelles  

Dieser Artikel wurde von Rolf Gloor im Herbst 2002 Auftrag des schweizerischen Textilverbandes verfasst. Der Text ist unter der Adresse http://www.swisstextiles.ch/de/publikationen/umweltpublikationen_send.cfm auch im pdf-Format vorhanden.


1. Einleitung

Energie ist ein wichtiger Produktionsfaktor in der Textilindustrie. Je nach Unternehmen verursachen die Energiekosten 1% (Konfektion) bis 15% (Veredlung) des Umsatzes. Der Branchendurchschnitt liegt bei etwa 5%. Mit wirtschaftlichen Energieeffizienzmassnahmen können etwa 20% dieser Kosten eingespart werden, was im Schnitt 1% vom Umsatz ergibt. Energie ist aber nicht nur ein Kostenfaktor, Energie ist auch ein Umweltfaktor und ein Qualitätsfaktor, welcher zeigt, wie das Management den Produktionsprozess beherrscht.

Spezifische Grössen wie Energie pro produzierte Einheit (z.B. kWh/kg) wären theoretisch ideale Vergleichsgrössen für die Energieeffizienz. Praktisch sind aber die Produkte (Qualität, Abmessungen, Auftragsgrössen usw.) schon innerhalb eines Betriebes so unterschiedlich, dass ein Vergleich keine brauchbaren Anhaltspunkte für die Beurteilung der Energieeffizienz gibt. Konkret geht es darum, die Produktpalette auf maximalen Ertrag (nicht auf minimalen Energieverbrauch) zu trimmen und in der Produktion die betriebswirtschaftlichen sinnvollen Massnahmen umzusetzen.

Diese Dokumentation versucht die energetischen Aspekte in der Textilindustrie zu strukturieren und erklären sowie die verschiedenen Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz aufzuzeigen und Grössenordnungen zu vermitteln. Folgende 3 allgemeine Ansatzpunkte erscheinen für die Textilindustrie wichtig:

Eine Aktualisierung dieser Dokumentation, konkrete Beispiele von Energieeffizienzmassnahmen in der Textilindustrie und ein Verzeichnis von einschlägigen Lösungsanbietern wird in den nächsten Jahren vom Autor unter der Internetadresse http://http://www.energie.ch aufgebaut und laufend erweitert.


2. Textilverarbeitung

Die unterschiedlichen Maschinen, Apparate und Anlagen in der Textilverarbeitung werden hier in die Gruppen Nassapparate, Trockenapparate und Maschinen unterteilt.

2.1 Nassapparate

Nassapparate wie Waschmaschinen oder Färbemaschinen benötigen viel Energie für die Erwärmung von Flüssigkeiten. Für die Erwärmung von 1 m³ Wasser von 20 auf 70 °C benötigt man rund 60 kWh Energie (6 Liter Heizöl).

Energie für eine Erwärmung um 100 °C und Kosten von 5 Rappen pro kWh
Material Dichte Wärmekapazität Energie Kosten Energie Kosten
Einheit  [kg / m³] [J / kg K]  [kWh / to] [Fr. / to] [kWh / m³] [Fr. / m³]
Stahl 7'800 500 14 0,69 108 5,420
Aluminium 2'700 900 25 1,25 68 3,380
Wasser 1'000 4'180 116 5,81 116 5,810
Glaswolle 200 660 18 0,92 4 0,180
Wolle 100 1'720 48 2,39 5 0,240
Luft trocken 1,2 1'000 28 1,39 0,033 0,002

Die Verdampfung von 1 Tonne Wasser bei 100 °C und Umgebungsdruck benötigt 627 kWh Energie, was rund 32 Franken kostet.

Die Energiesparmöglichkeiten in Nassapparaten stecken in:


2.2 Trockenapparate

Trockenapparate wie Trockner, Kalander und Spannrahmen benötigen viel Wärme auf einem hohen Temperaturniveau (zwischen 170 und 240 °C). Hohe Temperaturen werden für die Aktivierung von chemischen Prozessen (fixieren …) und zum schnellen Austreiben von Flüssigkeiten aus den Textilien (trocknen) benötigt.

Die Energiesparmöglichkeiten in Trockenapparaten stecken in:


2.3 Maschinen

Bei Produktionsmaschinen sind zur Verbesserung der Energieeffizienz zuerst folgende Frage zu klären: Welche Arbeit muss die Maschine physikalisch wirklich leisten, welche Energie ist dazu notwendig und wie viel Energie benötigt sie? Im Allgemeinen nimmt mit zunehmender Automatisierung der Wirkungsgrad ab, weil viele Hilfseinrichtungen zusätzliche Energie verheizen. Veränderungen an Maschinen bergen aber Risiken: Produktqualität, Sicherheit, Lebensdauer, Garantiegewährung usw. welche in einem gesunden Verhältnis zur erhofften Verbesserung stehen sollten. Auf der andern Seite bringen energetische Optimierungen ein höheres Grad an Prozessbeherrschung und somit eine Sicherung der Qualität. Änderungen können auch zusammen mit dem Maschinenlieferant vorgenommen werden. Bei Neuanschaffungen sind Verbesserungen (z.B. maximal 0,5 kW Leerlaufleistung) am einfachsten zu erlangen.

Beispiel: Stromverbrauch von Webmaschinen
Hersteller System Zusatz Drehzahl Leistungs-
aufnahme
Scheinl-
eistung
Standby
Dornier Druckluft mit Umrichter 910 U/min 5,5 kW 6,9 kVA 1,3 kW
Dornier Druckluft ohne Umrichter 950 U/min 6,0 kW 9,2 kVA 1,3 kW
Picanol Druckluft mit Servo 950 U/min 4,2 kW 7,5 kVA 0,2 kW
Sulzer Greifer G 6100   400 U/min 4,5 kW 5,4 kVA 2,1 kW
Sulzer Greifer G 6100 Doppelbaum 387 U/min 4,3 kW 5,0 kVA 1,6 kW
Dornier Greifer   397 U/min 7,0 kW 9,5 kVA 1,7 kW

Messung in einer Baumwollweberei im Frühling 2002, Messgerät Fluke 43B

Die Energiesparmöglichkeiten in Textilmaschinen stecken in:


3. Infrastruktur

Die Infrastruktur ist an der Textilverarbeitung nicht direkt beteiligt, ist aber für die Funktion der verschiedenen Textilmaschinen und für die im Betrieb arbeitenden Personen erforderlich. Je nach Energieintensität der Textilverarbeitung (hoch bei der Veredlung, tief in einer Weberei) entfallen auf die Infrastrukturanlagen 30 bis 80% des Energieverbrauchs.

3.1 Gebäude

Damit es in einem Raum wärmer als draussen ist, bracht es eine Heizung. Die erforderliche Heizleistung hängt von folgenden Faktoren ab:

Eine durchschnittliche Halle mit 25 mal 50 m Grundfläche und 10 m Höhe braucht bei -10 °C Aussentemperatur und 20 °C Innentemperatur eine Heizleistung von etwa 120 kW. Der entsprechende Energieverbrauch ist die mittlere Heizleistung (60 kW) mal die Heizdauer (5000 h/a), was einer Heizenergie von 300 MWh/a (30'000 Liter Heizöl pro Jahr) entspricht. Eine alte, nicht wärmegedämmte Halle mit vielen Ritzen braucht etwa das Doppelte, eine neue Halle mit 15 cm Wärmedämmung, guten Fenstern und einer Lüftungsanlage mit WRG (Wärmerückgewinnung) nur einen Drittel Heizleistung und Wärmeenergie.

Als Überschlagsrechnung ist mit folgenden Heizenergiebedarf zu rechnen:

Bei grossen Gebäuden mit nur 18 °C Innentemperatur sind diese Werte um etwa 25% zu reduzieren. Als Heizfläche wird die ganze beheizte Geschossfläche inklusive Mauern definiert. Bei Raumhöhen von über 4 m ist pro 3 m Raumhöhe mit einer zusätzlichen Heizfläche zu rechnen.

In der warmen Jahreszeit bei zusätzlich hoher Abwärme im Betrieb ergibt sich die umgekehrte Situation mit einer zu hohen Innentemperatur. Auch hier reduziert eine gute Wärmedämmung die Wärmeeinwirkung der Sonne in das Gebäude. Bei den Fenstern kann mit aussen liegenden Sonnenschutzeinrichtungen die Überhitzung reduziert werden (z.B. nützt eine Bemalung der Fenster-Innenflächen nicht viel). Bei hoher innerer Abwärme kann die Wärme über eine geschickte Luftführung (warme Luft steigt, kühlere Luft strömt nach) nach aussen geführt werden.

Die Energiesparmöglichkeiten in Gebäuden stecken in:


3.2 Heizungsanlage

In der hier beschriebenen Heizungsanlage werden fossile Energieträger (Heizöl oder Erdgas) verbrannt und die Wärme den Produktionsprozessen und der Gebäudeheizung zugeführt. Details zum Verbrennungsprozess und anderen Heizsystemen werden im Kapitel 4. Energietechnik behandelt.

In einer Heizöl- oder Ergasheizung entstehen Temperaturen von über 1000 °C. Zur Wärmeverteilung wird in den meisten Fällen Wasser verwendet. Wasser siedet bei einem Umgebungsdruck von 1 bar bei 100 °C und in einem geschlossenen System entsteht bei höheren Temperaturen ein hoher Druck, welcher teure Druckleitungen und Armaturen verursacht.

Sattdampfdruck von Wasser
Temperatur °C 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210
Dampfdruck bar 1,0 1,4 2,0 2,7 3,6 4,8 6,2 7,9 10,0 12,5 15,5 19,0

Je nach gewünschter Wärmeabgabetemperatur wird ein entsprechender Wärmeträger gewählt:

Wie oben beschrieben, spielt es für beim Verbrennungsprozess keine Rolle, auf welchem Temperaturniveau die Wärme abgenommen wird. Der Anlagenaufwand und die Verteilverluste (siehe Kapitel 4.5 Wärmeverteilung) nehmen aber mit zunehmender Temperatur zu. Bei einer Leitungslänge von 100 m verursacht eine mit 40 mm Isolation versehene DN 100 mm Rohrleitung bei 180 °C Vorlauf und 160 °C Rücklauf einen Verlust von rund 18'000 Liter Heizöl pro Jahr. Je tiefer die Temperatur und je kürzer die Betriebszeit, desto geringer fallen diese Verluste aus.

Heizsysteme für die Raumerwärmung werden heute auf möglichst tiefe Vorlauftemperatur ausgelegt (etwa 40 °C), damit der Wärmeverlust in der Heizung und Verteilung gering ist und alternative Heizsysteme (Abwärme,  Wärmepumpe, Solarwärme …) eingesetzt werden können.

In einer Feuerungsanlage wird etwa 20 kg Luft pro kg Heizöl oder Erdgas für die Verbrennung benötigt. Die Luftöffnung ins Kesselhaus sollte im Bodenbereich liegen, damit im Raum eine hohe Temperatur entsteht, welche die Abwärmeverluste des Kessels und der Installationen reduziert und die angrenzenden Räume heizt. Moderne Brennersystem regeln die erforderliche Luftmenge mit einem drehzahlvariablen Gebläse (siehe Kapitel 5.4 Pumpen und Gebläse). Je wärmer diese Luft ist, desto weniger muss sie erwärmt werden. Je tiefer die Abgase abgekühlt werden, desto mehr Wärme wird aus dem System genutzt. Die Abgase des schwefelhaltigen Heizöls beinhalten aber Schwefelsäure, welche bei zu tiefer Abgastemperatur ohne entsprechende Massnahmen den Heizkessel und die Kaminanlage angreifen kann. Bei vielen Heizkesselsystemen kann die Rauchgaskühlung nebst der Luftvorwärmung auch noch für Heizzwecke auf einem Temperaturniveau von 80 °C genutzt werden.

Die Energiesparmöglichkeiten in Heizungsanlagen stecken in:


3.3 Lüftungsanlage

Lüftungsanlagen verursachen oft einen grossen Anteil des Stromverbrauchs von Textilbetrieben. Lüftungsanlagen werden aus folgenden Gründen installiert:

Prinzip einer typischen Monobloc-Lüftungsanlage.

Die Energiesparmöglichkeiten in Lüftungsanlagen stecken in:


3.4 Druckluftanlage

Druckluft ist eine teure Energie, der m³ kostet etwa 10 bis 20 Rappen. Bei Anlagen mit wenig Betriebsstunden machen die Stromkosten etwa 20% der Betriebskosten aus, bei Anlagen, welche rund um die Uhr laufen, können es bis zu 80% sein. Wenn wichtige Maschinen Druckluft benötigen, werden oft zwei gleiche Kompressoren installiert, welche abwechslungsweise betrieben werden.

Prinzip einer einfachen Druckluftanlage.

Die Energiesparmöglichkeiten in Druckluftanlagen stecken in:

Über eine Messung der Füllzeit und Leerzeit des Druckluftspeichers sollte die Leckage im Druckluftnetz und die Kompressorschöpfleistung regelmässig (z.B. monatlich) überprüft werden.

Diagramm zur Beurteilung der Kompressorleistung. Formel zur Berechnung der Luftmenge.

3.5 Beleuchtungsanlage

Die künstliche Beleuchtung ist eine der ersten Elektrizitätsanwendungen und wird oft als grosser Stromverbraucher verdächtigt. In Textilbetrieben liegt der Stromanteil der Beleuchtung selten über 10%, Ausnahmen sind zum Beispiel Konfektionsbetriebe. Licht ist wichtig für das Wohlbefinden, die Arbeitsqualität und die Produktepräsentation. Das Licht muss aber richtig verteilt werden und nur leuchten, wenn Personen im Wirkbereich sind und das Tageslicht zu schwach ist. Die Leuchtstofflampe wird am häufigsten eingesetzt, sie ist meistens technisch und wirtschaftlich das optimale System.

Grober Vergleich verschiedener Lampentypen
Lampentyp Lichtausbeute
[lm/W]
Lebens-
dauer
Kosten für
12'000 lm
Farbwieder-
gabequalität
Startzeit
Glühlampe 6 bis 16 1'000 h Fr.   20.-- gut sofort
Halogenglühlampe 14 bis 22 2'000 h Fr.   60.-- sehr gut sofort
Kompakt-Leuchtstoff 40 bis 76 8'000 h Fr. 100.-- gut schnell
Leuchtstoff 43 bis 104 10'000 h Fr.   50.-- gut schnell
Halogen Metalldampf 57 bis 100 9'000 h Fr. 100.-- gut 3 min
Quecksilberdampf 32 bis 60 10'000 h Fr.   40.-- genügend 5 min
Natrium Hochdruck 70 bis 150 10'000 h Fr.   90.-- mässig 8 min
Natrium Niederdruck 100 bis 200 12'000 h Fr.   90.-- schlecht 15 min
 
Richtwerte für die Spezifische Beleuchtungsleistung nach SIA 380/4
Nutzungsbeispiele Beleuchtungsstärke
 im Arbeitsbereich
allgemeine
Richtwerte
verschärfte
 Richtwerte
Parkhaus, Korridor 50 lx 3,2 W/m² 2,5 W/m²
Keller, Estrich, Lager 100 lx 4,5 W/m² 3,5 W/m²
Kantine, Hotelzimmer 200 lx 7,0 W/m² 5,5 W/m²
Büro, Warenhaus 300 lx 10,0 W/m² 7,5 W/m²
Verkaufsflächen 400 lx 12,5 W/m² 9,0 W/m²
Hörsaal, Labor 500 lx 15,0 W/m² 11,0 W/m²

Die Energiesparmöglichkeiten in Beleuchtungsanlagen stecken in:


3.6 Wasserversorgung

Viele Textilveredlungsbetriebe verfügen über eine eigene Wasserversorgung. Der erforderliche Netzdruck wird meistens mit Zentrifugalpumpen aufgebaut. Oft wird das zur Verfügung stehende Quell- oder Grundwasser in einem Reservoir zwischengespeichert, um die Verbrauchsspitzen im Betrieb abzudecken.

Die Energiesparmöglichkeiten in der Wasserversorgung stecken in:


4. Energietechnik

Unter Energietechnik werden die verschiedenen Energieträger, die Systeme der Energieumwandlung sowie Energieverteilung und Speicherung grob behandelt.

4.1 Elektrizität

Elektrizität ist die edelste Energieform. Mit ihr liesse sich theoretisch jede Anlage betreiben. Ohne Elektrizität würde in einem Textilbetrieb praktisch nichts laufen. Weil in Europa ein Grossteil der Elektrizität aus fossilen Energieträgern mit einem Wirkungsgrad von 30% gewonnen wird (siehe Kapitel 4.3. Wärmekraftkopplung), ist ihr Preis pro Energieeinheit etwa dreimal höher als der von Heizöl oder Erdgas.

In den meisten Versorgungsgebieten wird zwischen Hoch- und Niedertarif unterschieden. Weil während der üblichen Arbeitszeit die Nachfrage nach Elektrizität höher als nachts ist, liegt der Hochtarif 20 bis 80% über dem Niedertarif. Je nach den Produktionsmöglichkeiten lassen sich vielleicht stromintensive Prozesse auf die Niedertarifzeit verlegen.

Spitzenleistung (Optimierungsgeräte)

Obwohl viele Textilbetriebe durchgehend produzieren und vorwiegend „Bandlast“ beziehen, kann die Spitzenleistung ein störender Kostenfaktor werden (etwa 100 Franken pro kW und Jahr), wenn sie deutlich über der Bandleistung (Jahresenergieverbrauch durch 8760 Stunden) liegt.

Die Spitzenleistung ist der durchschnittliche Leistungsbezug während einer Viertelstunde (teilweise einer halben Stunde). Je nach Liefervertrag wird die höchste Spitzenleistung pro Monat, Quartal oder Semester verrechnet. Die Spitzenleistung lässt sich reduzieren, indem zum voraus bestimmte Verbraucher beim Erreichen einer bestimmten Leistung abgeschaltet werden. Es gibt Geräte, welche ab der eingestellten Leistungsgrenze nur alarmieren (Blinklicht, Horn) und solche, welche selber Verbraucher ausschalten, deren Leistungsaufnahme reduzieren oder Quellen (Blockheizkraftwerke) ansteuern. Je nach Betrieb ist eine solche Spitzenlastregulierung mehr oder weniger rentabel. Anbieter von Spitzenlastoptimierungssystemen beziehen sich bei der prozentualen Kosteneinsparung meistens nur auf die Leistungskosten, und nicht, wie der Kunde erwartet, auf die gesamten Elektrizitätskosten.

Elektrische betriebene Prozesse mit Speicherwirkung oder Puffer lassen sich am besten unterbrechen oder zurückstufen, ohne die Produktion gross zu beeinträchtigen:

All diesen Prozessen ist eine Abschaltpriorität zuzuordnen und die zulässige Dauer eines Unterbruchs oder einer Leistungsreduktion ist zu bestimmen. Die Priorität kann (z.B. über die Temperatur), auch dynamisch zugeordnet werden. An die Festlegung der gewünschten Leistungsspitze muss man sich herantasten. Stellt man die Leistung zu hoch ein, verpasst man eine Kosteneinsparung, stellt man sie zu tief ein, erfährt man eine Einbusse in der Produktivität.

In der Textilindustrie gibt es nur wenige Prozesse, welche abgeschaltet oder gesperrt werden dürfen (z.B. ein elektrisch beheizter Spannrahmen). Durch eine sorgfältige Analyse der Stromverbraucher können einzelne Prozesse identifiziert werden, welche geeignet sind. Oft lassen sich mit einfachen Mitteln (Verriegelung mit anderer Anlage, Einzelabwurf) die Kosten für ein kompliziertes Energiemanagementsystem (ab 20'000 Franken) einsparen.

Blindenergie (Kompensationsanlagen)

Nebst der Wirkenergie und der Spitzenleistung kann auf der Stromrechnung auch die Blindenergie ins Gewicht fallen. Blindleistung erfordert grössere Leitungsquerschnitte und ergibt grössere Energieverluste bei der Elektrizitätsübertragung. Bis zum Leistungsfaktor (cos φ) von 0,9 (oder 0,92) sind die Kosten im Arbeitstarif (kWh) enthalten. Blindleistung benötigen die elektrischen Verbraucher mit Magnetspulen wie Motoren, Transformatoren und Drosseln (für Leuchtstofflampen). Kondensatoren können Blindleistung abgeben. Wenn Sie in der richtigen Grösse in der Nähe der Verbraucher installiert sind, entfällt die zusätzliche Netzbelastung bis zum Kraftwerk. Eine Blindstromkompensationsanlage passt die notwendige Kondensatorkapazität automatisch dem aktuellen Bedarf an.

Zusammensetzung des Blind- und Wirkleistungsanteils
von Stromverbrauchern in einem Gewerbebetrieb.

Ab 1000 Franken jährlichen Blindstromkosten rentiert eine automatische Kompensationsanlage.

Der Lieferant garantiert die Kompensation. Ohne grosse Veränderung im Anlagenpark sollten keine Blindstromkosten mehr entstehen, sonst ist die Anlage defekt (z.B. eine Schmelzsicherung ist durchgebrannt)


4.2 Verbrennung

Die Verbrennung ist eine chemische Reaktion, bei der sich ein Brennstoff mit Sauerstoff (die Luft besteht aus 21% Sauerstoff) verbindet und dabei Wärmeenergie abgibt. Bei der spezifischen Wärmeenergie unterscheidet man zwischen Brennwert (oder oberer Heizwert) und Heizwert (oder unterer Heizwert). Der Brennwert ist grösser, weil die Kondensationsenergie des im Rauchgas enthaltenden Wasserdampfes mitgezählt wird. Wenn der Verbrennung zuwenig Luft zugeführt wird, ist die Verbrennung unvollständig und es entsteht Russ. Wenn der Verbrennung zuviel Luft zugeführt wird, geht zuviel Wärme über die Abgase verloren.

Es wird vermutet, dass das bei der Verbrennung entstehende CO2 das Weltklima negativ beeinflusst (Treibhauseffekt). Viele Staaten haben darum vor, den CO2 Ausstoss zu reduzieren (Kyoto-Protokoll). In der Schweiz ist seit dem 1. Mai 2000 das CO2-Gesetz in Kraft. Es sieht eine gesamthafte Reduktion der CO2-Emissionen bis ins Jahr 2010 von 10% unter das Niveau von 1990 vor. Als Teilziele sind für Brennstoffe (minus 15%) und Treibstoffe (minus 8%) verankert. Die Ziele des Gesetzes sollen vorerst mit freiwilligen Massnahmen erreicht werden.

Die Erfassung des CO2 Ausstosses erfolgt über den Verbrauch von fossilen Energieträgern mit festgelegter CO2-Fracht pro Einheit Energieträger. Nachwachsende Energieträger wie Holz oder Biogas sind CO2-neutral, weil das bei der Verbrennung entstehende CO2 von den Pflanzen durch den freiwerdenden Platz wieder aufgenommen wird. In der Schweiz wird die Elektrizität durch Wasserkraft und Atomenergie erzeugt, dadurch ist sie CO2-frei.

Zusammenstellung der Energieträger mit Dichte, Heizwert und CO2 Fracht
    Dichte Heizwert CO2 Fracht
Energieträger Einheit kg / m³ kWh / m³ kWh / kg kg / m³ kg / kg kg / kWh
Heizöl EL Liter 840,00 9962,40 11,86 2639,892 3,143 0,265
Heizöl M/S kg 990,00 11385,00 11,50 3139,860 3,172 0,276
Petrolkoks kg 1400,00 11200,00 8,00 4606,000 3,290 0,411
Steinkohle kg 760,00 6612,00 8,70 2007,464 2,641 0,304
Braunkohle kg 1000,00 5500,00 5,50 2090,400 2,090 0,380
Holz kg 500,00 2000,00 4,00 0 0 0
Benzin Liter 750,00 9110,00 12,08 2338,276 3,118 0,258
Diesel Liter 820,00 9830,00 11,86 2611,416 3,185 0,269
Aceton kg 790,80 9110,00 7,92 1799,752 2,276 0,287
Wasserstoff kg 0,08 2,73 33,33 0 0 0
Kohlenmonoxid kg 1,14 3,20 2,81 1,791 1,571 0,559
Methan kg 0,66 9,11 13,89 1,804 2,750 0,198
Ethan kg 1,24 16,36 13,19 3,637 2,933 0,222
Propan kg 1,80 23,18 12,88 5,400 3,000 0,233
Butan kg 2,37 30,10 12,70 7,192 3,034 0,239
Ethylen kg 1,15 15,06 13,10 3,614 3,143 0,240
Propylen kg 1,72 21,87 12,72 5,406 3,143 0,247
Butylen kg 2,90 36,48 12,58 9,114 3,143 0,250
Acetylen kg 1,07 14,33 13,39 3,622 3,385 0,253
Erdgas 0,72 10,05 12,44 1,885 2,619 0,180

Bei den fossilen Energieträgern hat Erdgas die geringste CO2 Fracht pro Energieeinheit. Eine einfache Möglichkeit zur Reduktion der CO2 Fracht besteht demnach in der Umstellung von Heizöl auf Erdgas, falls am Produktionsstandort Erdgas verfügbar ist.


4.3 Wärmekraftkopplung

Bei der Wärmekraftkopplung wird aus Wärmeenergie Kraft (über einen Generator Elektrizität) gewonnen. Diese Umwandlung erfolgt im Gegensatz zum umgekehrten Vorgang immer mit einem relativ tiefen Wirkungsgrad. Theoretischer Grenzwert ist der Carnot-Wirkungsgrad, welche sich aus der Temperaturdifferenz der heissen und kalten Seite durch die Absoluttemperatur (Temperatur in °C plus 273 K) der heissen Seite errechnet. Bei einem grossen Dampfturbinenkraftwerk mit 280 °C Dampf und 40 °C Kondensat sind das maximal 43%, praktisch aber nur noch 33% Umwandlungswirkungsgrad von Wärmeenergie in Elektrizität. Im Gegensatz zu den grossen thermischen Kraftwerksanlagen haben kleine lokale Anlagen folgende zwei Vorteile:

Durch die aktuelle Entwicklung (2000 bis 2002) bei den Energiepreisen ist ein direkter wirtschaftlicher Vorteil nicht auszumachen, da die Elektrizität billiger wird und die fossilen Energieträger teurer. Das Preisverhältnis kWh Elektrizität zu kWh Heizöl hat sich für einen Betrieb mit 500'000 Franken Energiekosten pro Jahr in den letzten 10 Jahren von 6 auf 2,5 reduziert. Mit dem zusätzlichen erheblichen Aufwand (Anschaffung, Unterhalt) gegenüber einer Feuerungsanlage ist die Wärmekraftkopplung gegenwärtig nicht wirtschaftlich.

Die verschiedenen Systeme der Wärmekraftkopplung
System Leistung Wirkungsgrad Abwärme Preis Lebensdauer Bemerkungen
Ottomotor (Gas) < 200 kW < 30% < 100 °C tief 10'000 h PKW Basis
> 200 kW < 35% < 100 °C tief 40'000 h -
Dieselmotor (Öl) < 3 MW < 40% < 100 °C tief 40'000 h Abgaswerte
Dampfmaschine < 1 MW < 12% < 100 °C mittel 40'000 h Anbieter ?
Dampfturbine * > 1 MW < 25% < 100 °C hoch 100'000 h aufwändig
Gasturbine * > 1 MW < 40% < 300 °C mittel 100'000 h -
Kombikraftwerk > 20 MW < 55% < 100 °C hoch 100'000 h -
Stirlingmotor > 1 kW < 15% < 100 °C hoch unbekannt Anbieter ?
Brennstoffzelle > 1 W < 40% < 300 °C hoch unbekannt Anbieter ?

* Es gibt auch Anbieter mit kleinen Dampf- und Gasturbinenanlagen im Bereich von 100 kW und weniger, aber ausser Prospekten liegen keine konkreten Erfahrungswerte vor.


4.4 Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist der umgekehrte Prozess einer Dampfturbine. Mit der Hilfe von mechanischer Energie wird Wärmeenergie von einem tiefen Niveau (z.B. 5 °C) auf ein höheres Niveau (z.B. 50 °C) transformiert. Bei der Wärmepumpe fällt die Abwärme der mechanischen Energie zugunsten der gewünschten warmen Seite an, bei der im Prinzip gleichen Kälteanlage ist die warme Seite Abwärme. Der theoretische maximale Faktor Wärmeenergie zur Elektrischer Energie ist der Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrades, also die Absoluttemperatur (Temperatur in °C plus 273 K) der heissen Seite durch die Temperaturdifferenz der heissen und kalten Seite. Beim oben genannten Beispiel gibt das den theoretischen Faktor 7,2, reale Wärmepumpen erreichen einen Wert von 4.

Der  Wärmepumpenprozess im Enthalpie-Druck-Diagramm.

Die gegenwärtig angebotenen Wärmepumpen arbeiten mit Kältemitteln, welche nur eine Wärmeabgabe bis maximal 60 °C ermöglichen. Bei Textilveredlungsbetrieben ist aber schon sehr viel Abwärme auf diesem Temperaturniveau vorhanden.

Mit andern Kältemittel oder dem umgekehrten Gasturbinenprozess könnten aber weit höhere Temperaturen erreicht werden. Durch den tiefen Preis für Elektrizität und den hohen Preis für fossile Energieträger ergibt sich dadurch eine interessante Perspektive für energieeffiziente Wärmerückgewinnung bei der Textilveredlung (z.B. von 80 auf 180 °C mit einem Faktor 3). Leider ist zurzeit noch kein Anbieter für solche Systeme bekannt.


4.5 Wärmeverteilung

In Heizungsanlagen und bei den Wärmeanlagen in der Textilveredlung geht viel Energie in der Wärmeverteilung verloren. Die Wärmeverluste hängen von folgenden Faktoren ab:

Wärmeverlust von 1 m Rohrleitung bei 100 K Temperaturdifferenz
Durchmesser DN 25 mm DN 50 mm DN 100 mm
Isolierdicke Leistung Energie Leistung Energie Leistung Energie
0 mm 120 W 1000 kWh/a 210 W 1800 kWh/a 400 W 3500 kWh/a
20 mm 30 W 260 kWh/a 40 W 350 kWh/a 70 W 620 kWh/a
40 mm 20 W 180 kWh/a 30 W 260 kWh/a 45 W 400 kWh/a
60 mm 18 W 160 kWh/a 25 W 220 kWh/a 35 W 310 kWh/a
100 mm - - 18 W 160 kWh/a 25 W 220 kWh/a

Die aufgerundeten Werte gelten für ein mittleres Isoliermaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,04 W/mK. Der Energieverlust bezieht sich auf Dauerbetrieb während 8760 Stunden pro Jahr. Der Wärmeverlust ist proportional zur Temperaturdifferenz und Leitungslänge. Eine Armatur verliert gleichviel Wärme wie etwa 2 m zusätzliche Rohrleitung mit gleichem Durchmesser und gleicher Isolationsdicke.

Zur Wärmeverteilung gehören auch die Umwälzpumpen. Im Allgemeinen sind die eingesetzten Umwälzpumpen zu gross. Bei ordentlich dimensionierten Rohrleitungen und Wärmetauscher benötigen alle Umwälzpumpen zusammen nur eine elektrische Aufnahmeleistung von 1‰ der Heizleistung. Eine einfache Berechnung der Leistung einer Umwälzpumpe ergibt:

Bemerkung: Wenn ein Heizkreis kalt bleibt, so liegt es oft nicht an der Stärke der Umwälzpumpe sondern an Luft in der Leitung, an geschlossenen Ventilen oder an verstopften Leitungen.

Die Energiesparmöglichkeiten in Wärmeverteilanlagen stecken in:


5. Technologien

Das Kapitel Technologien umfasst allgemeine energetische Aspekte welche in den Energieprozessen der Textilindustrie, den Infrastrukturanlagen und der Energietechnik vorkommen.

5.1 Wärmedämmung

Mit einer guten Wärmedämmung kann man die Wärmeverluste eines heissen Körpers in einer kalten Umgebung reduzieren. Die Einflussfaktoren sind:

Beispiel für die Wärmedämmung an einem heissen Färbeapparat
Material, Baustoff Dicke α   λ R ohne Dämmung R mit Dämmung
Wärmeübergang innen - 20 W/m²K 0,050 m²K/W 0,050 m²K/W
Stahl 0,020 m 60  W/mK 0,000 m²K/W 0,000 m²K/W
Wärmedämmung 0,025 m 0,040  W/mK - 0,625 m²K/W
Wärmeübergang aussen - 10 W/m²K 0,100 m²K/W 0,100 m²K/W
Summe 0,020 m - 0,150 m²K/W 0,775 m²K/W
k-Wert 6,7 W/m²K 1,3 W/m²K
Wärmeleistung für 120 K Temperaturdifferenz 800 W 160 W
Strahlungsverluste (grobe Abschätzung) 400 W 140 W
Energieverlust in 5000 Stunden pro Jahr 6000 kWh/a 1500 kWh/a
Energiekosten bei 5 Rp./kWh 300 Fr./a 75 Fr./a

Eine Hochtemperaturisolation kostet rund 200 Franken pro m² und reduziert zusätzlich die Abwärmebelastung am Arbeitsplatz.


5.2 Wärmerückgewinnung

Mit einer WRG (Wärmerückgewinnungsanlage) entzieht man dem Abwasser oder der Abluft möglichst viel Wärme und übergibt diese dem Warmwasser, der Frischluft, der Raumheizung usw. oder speichert sie in einem Wasserbehälter zur späteren Verwendung. Bei einer Wärmerückgewinnungsanlage sind folgende Punkte zu beachten:


5.3 Antriebstechnik

Elektromotoren haben, verglichen mit anderen Maschinen einen sehr guten Wirkungsgrad, trotzdem gibt es auch hier Energiesparmöglichkeiten. Der Asynchronmotor ist der am häufigsten eingesetzte Industriemotor. Er ist günstig, robust und kann selber am Stromnetz anlaufen. Der Asynchronmotor hat seinen Namen von der Tatsache, dass er sich nicht synchron mit der Netzfrequenz, sondern etwas langsamer dreht. Je grösser dieser Schlupf wird, desto grösser ist sein Drehmoment, bis es hinter dem Kippmoment wieder abnimmt und der Motorschutz ausgelöst wird.

Kennlinie eines 4-poligen Asynchronmotors mit 3 kW Nennleistung.

Im Betriebspunkt gibt der Asynchronmotor bei seiner Nenndrehzahl seine Nennleistung ab. Diese Daten sind auf dem Typenschild zu finden. Der 2-polige Asynchronmotor erreicht am Stromnetz die höchste Drehzahl mit knapp 3000 U/min. Für höhere Drehzahlen ist entweder ein Getriebe, ein Frequenzumformer oder ein Gleichstromantrieb erforderlich. Je höher die Polzahl ist, desto tiefer ist die Nenndrehzahl. Bei 6, 8 und mehrpoligen Ausführungen wird der Motor für die gleiche Leistung immer grösser und teuerer.

Je höher die Motorleistung ist, desto besser wird der Wirkungsgrad. Bei Antrieben mit hoher Laufzeit (Ventilatormotoren, Pumpenmotoren …) lohnt sich die Auswahl nach dem Wirkungsgrad innerhalb eines Jahres. Am besten sind die Asynchronmotoren der Klasse „EFF1“, Motoren der Klasse „EFF3“ sollten nicht mehr gekauft werden.

Mit einem Frequenzumrichter kann der Asynchronmotor auch mit anderen Frequenzen als der Netzfrequenz von 50 Hz gespiesen werden. Über Tasten, ein Potentiometer oder von einer Steuerung kann die Drehzahl von etwa 5% bis auf über 100% der Nenndrehzahl eingestellt werden. Bei Antriebsaufgaben mit lange andauernden tiefen Drehzahlen und hohem Drehmoment (zum Beispiel Förderband) muss ein oberflächengekühlter oder fremdbelüfteter Motor eingesetzt werden. Der eingebaute Lüfter eines Standardmotors würde bei den tiefen Drehzahlen zu wenig Wärme abführen. Bei Ventilatorantrieben sind tiefe Drehzahlen kein Problem, weil dort kein hohes Moment gefordert wird.

Der Preis eines Motors hängt von seiner Grösse und somit vom Nenndrehmoment ab. Für 2 und 4-polige Asynchronmotoren kann als Richtwert 100 Franken pro kW angenommen werden. Ein entsprechender Frequenzumrichter kostet etwa das Doppelte.

Bei Arbeitsmaschinen mit langsamen Drehzahländerungen gilt die Anlaufbedingung, dass über den ganzen Drehzahlbereich das Lastmoment nicht grösser als das Antriebsmoment sein darf. Wenn das Losbrechmoment (die Haftreibung) nicht grösser als das Anlaufmoment ist, sind keine Anlaufschwierigkeiten zu erwarten. Ein hohes Losbrechmoment kann den Motor blockieren. Bei hohen Lastmomenten im Bereich des Motoranlaufmomentes nützt bei Asynchronmotoren ein Sanftanlaufgerät nicht viel, denn der Motor beschleunigt erst, wenn er genug Spannung hat, um das Losbrechmoment zu überwinden. Mit einem modernen Frequenzumrichter steht aber schon beim Start ein hohes Drehmoment zur Verfügung.

Ein Asynchronmotor, der direkt oder mit einem Softstarter ans Netz geschaltet wird, erhitzt sich beim Hochfahren mit der Energie, welche der Rotationsenergie des Rotors und der Last entspricht. In den Datenblättern von Standardmotoren ist die zulässige Anzahl Leerumschaltungen pro Stunde angegeben. Verschiedene Lieferanten verfügen auch über entsprechende Dimensionierungsprogramme. Kleine Asynchronmotoren können viel mehr Schaltungen (einige pro Sekunde) als grosse (einige pro Stunde) verkraften. Beim Betrieb mit einem Frequenzumrichter hat der Motor einen beschränkten Schlupf und kann viel häufiger geschaltet werden.

Bei Pausen abschalten rentiert: Das Abschalten einer Maschine lohnt sich, wenn die Pause grösser als die 5-fache Hochlaufzeit ist. Wenn eine Walze innerhalb von 2 Sekunden auf Touren ist, lohnt sich das Abschalten bei einer Pause ab 10 Sekunden. Der Anlaufstrom wirkt sich nicht auf die vom EW verrechnete Spitzenleistung aus (Mittelwert während 15 Minuten).

Asynchronmotoren, welche oft ohne Last laufen, können in dieser Zeit auch in der Sternschaltung betrieben werden. Durch die tiefere Klemmenspannung sind die Motorenverluste um etwa 30% kleiner. Es gibt auch so genannte „Energy-Saver“ welche im Teillastbereich mit einem Phasenanschnittgerät die Spannung reduzieren. Die Investitionen werden nur in besonderen Fällen durch die Energieeinsparung bezahlt, besser ist der Einsatz eines „EFF1“ Motors.

Die Drehmomentanpassung an die Last ist mit einem Getriebe meistens günstiger als mit einem grossen Motor. Ein Getriebe hat ein Reibungsmoment, welches von der übertragenen Leistung wenig abhängig ist. Der Wirkungsgrad eines Motors oder eines Getriebes bezieht sich auf die Nennleistung. Im Teillastbereich oder bei tieferen Drehzahlen ist der Wirkungsgrad schlechter. Antriebskomponenten mit einer hohen Laufzeit sollten mit energieeffizienten Getriebetypen ausgerüstet sein. Als besonders schlecht sind die in der Anschaffung günstigen Schneckengetriebe zu erwähnen, welche im Kilowattbereich mehr als die Hälfte der aufgenommenen Leistung verheizen.

5.4 Pumpen und Gebläse

Bei der Textilveredlung entfällt ein grosser Anteil des Stromverbrauchs auf Pumpen und Gebläse. In Rohrleitungen nimmt der Druckabfall quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit zu. Das heisst, der Leistungsbedarf (Fördermenge mal Druckabfall) steigt in der dritten Potenz mit der Fördermenge.

Eine 11 kW Pumpe benötigt für 75% Fördermenge mit Drehzahlanpassung nur 5 kW Leistung.

Bei der Auswahl von Pumpen und Ventilatoren sind die erforderlichen Nenndaten (Fördermenge und Druck) wie bei den Elektromotoren sorgfältig zu berücksichtigen. Eine zu grosse Anlage kostet mehr und hat einen schlechteren Wirkungsgrad im Teillastbereich als die gerade richtige Anlage. Je nach Typ und Hersteller gibt es erhebliche Unterschiede im Wirkungsgrad. Die Stromkosten sind schon nach ein paar Monaten Betrieb höher als die Anschaffungskosten einer Pumpe oder eines Gebläses (z.B. Eine 11 kW Pumpe kostet 3000 Franken und verbraucht pro Betriebsstunde Strom für mehr als 1 Franken).

5.5 Messtechnik

Die Messung der elektrischen Leistung ist ein wichtiges Element einer genauen Energieanalyse. Bei Maschinen und Anlagen können der wirkliche Energieverbrauch und die eventuellen Einsparmöglichkeiten nur mit einer Messung bestimmt werden. Aus der Messung der Motorenströme kann die Aufnahmeleistung von Maschinen nur ungenau bestimmt werden, weil sich im Teillastbereich der Leistungsfaktor (cos φ) erheblich verschlechtert. Ein fest installiertes Gerät kostet etwa 300 Franken, ein mobiles einphasiges Leistungsmessgerät rund 1000 Franken.

Temporäre Leistungsmessung im Drehstromnetz.

Die Messung des Wärmeverbrauchs ist aufwendiger als die des Elektrizitätsverbrauchs. Es braucht eine Temperaturmessung im Vor- und Rücklauf sowie eine Durchflussmessung in einem längeren geraden Rohrabschnitt. Je nach Temperaturniveau und Rohrquerschnitt kosten solche Geräte ab 1000 Franken aufwärts. Auch bei der Wärmemessung kann mit mobilen Geräten eine Momentaufnahme erfolgen. Anstelle einer fest eingebauten Durchflussmessung wird aussen an einem geraden Rohrleitungsabschnitt ohne Wärmedämmung ein mobiles Ultraschallmessgerät aufgesetzt.

Die berührungslose Messung von Oberflächentemperaturen kann punktuell mit einem Infrarotsensor (Kosten 100 bis 500 Franken) oder übersichtlich mit einer Wärmebildkamera (Kosten 10’000 bis 50'000 Franken) erfolgen. Da die Strahlungsintensität von der Temperatur des strahlenden Körpers abhängt, lassen sich den von der Kamera erfassten Signalen entsprechende Temperaturen zuordnen. Diese werden dann auf dem Thermogramm durch unterschiedliche Farben oder Grautöne sichtbar gemacht (zum Beispiel hell entspricht „warm“, dunkel entspricht „kalt“). Die Thermografie ist nun in der Lage, diese Thermogramme richtig zu deuten und zum Beispiel so genannte Wärmebrücken an Aussenwänden von Gebäuden zu erkennen und deren genaue Lage zu ermitteln. Weiterhin können beispielsweise an Dampf- und Heisswasserleitungen sowie thermischen Apparaten defekte Wärmedämmungen und Leckagen geortet werden. Im Maschinenbau können heisslaufende Lager, Führungen, Getriebe und Motoren vor einem Ausfall erkannt werden.

Thermografie einer Kühlanlage. Thermografie eines Elektromotors.
Quelle: Infrarot Messtechnik, Dresden-Weissig http://www.infrarot-messtechnik.de

6. Grundlagen

6.1 Gesetzliche Grundlagen

6.2 Literatur

6.3 Links


7. Aktuelles

CO2-Lenkungsabgabe

Etwa 30 Mitgliedfirmen des Textilverbandes Schweiz haben sich in 3 Energie-Modell-Gruppen der Energie-Agentur der Wirtschaft organisiert. Unterstützt von einem Moderator werden Massnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz und Reduktion der CO2-Fracht ausgearbeitet.

Der Energieverbrauch der Jahre 1990 (Basisjahr) und 2000 (Ausgangsjahr) wird zusammen mit geeigneten Indikatoren (Produktionsmenge, Anzahl Aufträge …) erfasst und es wird eine Prognose für das Jahr 2010 (Zieljahr) erstellt. Anhand einer Bestandesaufnahme werden im Unternehmen der Stand der Technik und die Einsparmöglichkeiten beurteilt. Viele Unternehmen haben in der Vergangenheit schon etliche Einsparprojekte realisiert und es bleiben nicht mehr viele wirtschaftliche Massnahmen übrig. Auf dieser Basis werden für jedes Unternehmen die individuellen Massnahmen (oft schon aus betrieblichen Gründen geplant) bis zum Jahr 2010 aufgelistet, wie zum Beispiel: Heizungssanierung, Maschinenersatz, Wärmerückgewinnung, Beleuchtungssanierung, Druckluftoptimierung. Die Summe dieser Massnahmen ergibt die Prognose für die Einsparung, welche zusammen mit den andern Daten in einer Zielvereinbarung festgehalten wird. Diese Daten werden in der Gruppe an Workshops besprochen und als Gruppensumme der Energie-Agentur der Wirtschaft übergeben.

Die Mehrheit dieser Unternehmen wird sich zu einer Energieeinsparung von rund 10% bis zum Jahr 2010 verpflichten und sich dadurch von der CO2-Lenkungsabgabe ab dem Jahr 2004 befreien lassen. Nebst der Befreiung profitieren sie aber auch direkt von der Einsparung von Energiekosten und dem Erfahrungsaustausch in der Energie-Modell-Gruppe. Die Höhe der CO2-Lenkungsabgabe wird im Jahre 2003 vom Parlament beschlossen. Gegenwärtig geht man bei den Brennstoffen von 30 Franken pro Tonne CO2 aus, was bei Heizöl 8 Rappen pro Liter und bei Ergas 5 Rappen pro m³ ausmacht. Die Rückvergütung der Abgaben erfolgt für die Unternehmen, welche sich nicht befreien lassen, über die AHV-Beiträge. Derzeit ist die Grösse der Reduktion noch nicht bekannt. Unternehmen mit einem hohen Verbrauch von fossiler Energie und wenig Mitarbeiter (wahrscheinlich ab etwa 2000 Liter Heizöl pro Mitarbeiter) werden von einer Befreiung profitieren.

Genauere Informationen sind beim Textilverband Schweiz, Geschäftsstelle St.Gallen (Tel. 071 274 90 90) oder Rolf Gloor, Moderator Energie-Agentur (Tel. 081 630 90 10) erhältlich.


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